低压电器短路耐受试验智能保护装置研究与设计

低压电器短路耐受试验智能保护装置研究与设计

郑微微 王华 陈林林 黄丽娜

浙江正泰电器股份有限公司

摘要：鉴于低压电器短路承受强度测试智能安全保护器具有的功能单一、调节困难大等劣势，所以文章中给出了一种完整的新型低压配电柜短路承受强度检测系列的智能安全保护器。采用了智能保护装置与谐波含量异常测试算法，通过并行比较平面方法向量，可以确定短路保护电压是否存在异常情况，并在第一时间断开检测电源，以保证保护装置、样品和测试的安全，这一检测对于低压电器企业及检验机构具有重要的参考价值。

关键词：低压电器；短路耐受强度测试；智能保护装置；设计

引言：短路耐受强度测试，一直是对低压设备、元器件、变压器等CCC认证的重点测试项目，但因为被测产品出现了一些产品质量问题，比如试件不符合标准导致 DUT 母线爆裂，甚至会发生火灾、爆炸等事故，特别是变压器爆破力惊人，不但给企业带来严重的经济损失，同时给整个检测体系和测量机构的工作人员造成威胁。采用对过电压、过电流、电压电流不均匀、谐波含量异常等的特殊测试算法，能及时判别检测电压波形和过电流波形之间有无异常情况，从而实现了高速、实时保护的目的。

1. 我国低压电器短路耐受强度试验保护装置适用性分析

目前国内外还没有专门针对短路测试设计的智能保护装置，一般来说，为了防止异常电压和电流，主要需配置综合微机安全保护器、浪涌防护装置和浪涌保护器上层短路测试电路、安全保护器等。而微机综合安全保护器则是指一个集防护、检测、监视、控制、人机界面、通信等多项功能于一身的综合安全保护器。但因为功能比较简单、成本昂贵、保护方式相对落后等许多问题，导致较难使用于在环境条件复杂多变的高低压配电箱等短路防护场所。电路测试中常用的浪涌保护器，是指一个抑制雷击和操作时浪涌电压的综合安全保护器，主要用来预防发电机、变压器、真空断路器、母线和电动机等装置的绝缘，引起浪涌电压的损坏。具有动作快、电流电压特性均匀、残压低、工作环境稳定、安装维护简单等优势，而且还能有效防护相间电流和相间过电压。但虽然它不具备防护性能，但可以很好的保证了电流等级不被调节。浪涌保护器也简称为避雷装置，原理为浪涌保护器，具体是指一类专门为各类电子器件、工具和通信线路进行防护的电气设备。当电网或通信线路由于受外界干扰时，或是产生了电流或电压的突然上升等现象时，浪涌保护器便能在极短的时间内导通或分流，因此有效防止了由于电网浪涌而对其电气设备造成损坏[1]。其缺陷与上述二种方式相比，保护情况比较简单，而且还具有不可调节性，无法调节至低压侧短路测试。因此针对于各种类型和变化条件下的低压侧短路电流测量，迫切需要一款高度智能的附加型多功能可调电压电流安全保护器，以保障检测项目免遭爆炸、起火、熔焊等危害，同时也为保护检测设备以及测试者们的生命和财产安全提供强有力保障。

2. 智能保护装置分析

智能保护装置连续检测试验样品所输入的电压电流波形，并可引入过电压、过电流、电压电流不均匀、异常谐波含量等特殊的测试算法，以真实评估试验电压电流波形。则判断短路试验过程中是否正常，如有异样，及时关掉试验电源，以保证试验样品不受长期连续异常电压或电流的影响，避免风险，预防进一步损坏甚至爆炸事件，最大程度上保障人身和财产安全。

1. 智能保护装置的主体构造

按照短路测试的标准要求，图1是典型短路测试系统的电路结构图。

图1 短路测试系统和智能保护装置结构图

从图一中的所有已知信息来，1是供给三相交流电的电源线，2是第一个高压侧断路器，3是第二个高压侧断路器，4是高温侧可调负载，5是测试变压器，6是低温侧电源断路器，7是测试模式，8是低温负载电阻与各部分之间的连接。智能保护装置包括：9-电流指明灯、10-电流表、11-数据处理装置、12-监控设备。

2. 智能保护装置的工作原理

从图一中的短路测试系统和智能保护装置电路图的实际状况出发，首先启动了智能安全保护器的供电，并选择好短路测试的时间。将短路测试体系中的低温侧断路器6、高压侧断路器2、高压侧断路器三并联合闸，然后开始开展短路测试工作。在电源短路测试流程中，采用智能保护器检测实验样品七输入端的电压信号波形，从而进行判断电压电流信号有没有变异。控制器十二立即发送启动控制信息后。送至短路电流测试系统中的高压剩余电量断路器二立即分闸，并在最短的持续时间内断开所有测试电源，以达到保护试件不受连续长期异常电压或电流的影响，以避免进一步损坏或危险以避免爆炸事件发生，并积极保护短路测试系统和测试人员的安全。

测试过程中若无异常，智能保护装置将不工作，短路测试完成后，短路测试系统会在测试系统短路设置开启时间后自动关闭测试电源本身，短路测试完成。如果短路测试系统控制程序异常，达到设定的短路时间后没有切断电源，则高压侧的断路器在设定的短路测试时间后跳闸。具有智能保护装置，在正常短路试验中达到后备保护的目的。

3. 智能保护装置的理论依据

一条三角圆锥体沿着一根母线扩展到二维平面即是一条长方形，其中长方块的高是圆锥体的高度，而长方形的宽是圆锥体基底的边长。假设将一条三角圆锥体从一条平面上倒角，然后再将该三角圆锥体沿母线连续地扩展到一条由二维平面所组成的矩形上，则圆锥体的斜切平面的所有边条形成了一条二维平面矩形正弦曲线。同样地，通过将二D坐标系转换为三D，则所有的正弦曲线都能够反映到三D锥形柱状平面的边线上。更简单来说，每个正弦曲线都可以被认为是一条环绕圆锥体的平面，即平面和圆锥体的交点。因为所有切线都在反旋转平面上，即在圆锥体中所有由正弦曲线所组成的斜切的界限上，所以任何三点所组成的平面也都是在某个平面上。i(t)是实验时刻，即t时的短路防护电压。

三、智能保护装置的硬件构成

1. 电压和电流测量装置

由于短路测试是在1000V以下的低电压下进行的，所以采用直接测量法测量电压信号，交流电流检测采用了通过国际行业认证的罗氏线圈+积分器+测量放大方式，而直流检测则采用了分流器+放大测量方法。隔离放大主要由三个部分所构成：外围隔离放大的输入输出信号、中间信息增益监测电路，以及内部二阶滤波器输入输出电路。进行信息增益检测的AD五百二十六芯片是一个可编程信息增益放大集成电路，拥有良好的直流准确度。至于内部，二阶滤光器的输入和输出电路则是遵循ISO一百二十四的电容隔离藕合晶片与二阶低通滤波器所组成，此晶片也使用了当时最新的工作循环解调器技术。主控器件方面，则使用了高性能EGA八十八PA的低功耗8位ATM微处理器，对压力、电流等信息均进行去耦放大后，转换为最高电压每±10分V的安全低压信息。采集板方面采用了台湾研华的PCI-1716L-AE板卡，可进行十六路单端模拟输入或八路差分模拟输入，及综合输入输出，完全满足了该系列智能保护装置的要求^[2]。

2. 数据处理装置

数据处理装置选用了成熟稳定的台湾研华AIM B-705工控机中小板作为高速计算环境，以及Intel I5-6500作为处理机，并采用了相对稳定完善的硬件模块，作为软件稳定的算法调试平台。

（三）控制装置

控制器使用由台湾研华电子生产的PCI-1761-BE继电器输出和隔离数字输入输出卡来控制固态继电器的闭合与断开，用来闭合和切断的高压侧。PCI-1761-BE提供了八条光隔离数字输入输出通道，光隔离的最高保护电压是2500V DC，因此可以在嘈杂环境下顺利输入。它有八个继电器输出电流，可作为开关控制的低压输出电流断路开关。同时为了便于在每开展项监管工作时，在继电器上均设置了一个红色LED，用以控制指示开或者闭状况。

（四）软件功能设计

如图2所示，智能安全保护器的控制系统主要由设定部分、监控部分、波形监控部分，以及进行分析计算的选择部分所构成。而在设定区里，使用者能够轻易选定所需要的数字化扫描通道。可以只收集一个压力通路或者一个电流通路，也可以同时收集多个压力或者电流通路^[3]。在设计区，使用者还能够对里面的各种保护性分析算法进行参数设置。对控制部分来说，用户还能够实现高电压信号的启动和终止以及电压变化，为了保证功能的安全启动，还采用前一级高压断路器保护分闸。在检测和波形分析算法的选择领域，用户不但能够即时检测特定的电压电流波形，还能够按照检测要求选用一个或多个正确的保护分析算法。

图2 低压电器短路耐受试验智能保护装置的控制程序界面

结论：综上所述，与传统电器保护装置相比，智能保护装置的研究与设计主要是在检测算法的异常谐波含量检测算法基础上进行的，可以大大提高测量准确度，有效规避了短路试验异常的风险，公司的试验件若长期暴露于异常电压和电流之下，将会随时面临热爆炸风险,造成试验机构的检测装置严重受损，测试人员在无法预知状态下发生危险。为保护测试装置和测试人员的安全稳定，真正在低压电器设备短路保护检测领域中起到了快速有效的作用，进而为相关企业以及测试组织提供相关设备的理论信息和依据。

参考文献：

1. 杜然珑,戴宇飞,张晓戈,张鑫,刘振.试论低压成套开关设备短路耐受强度试验方法[J].中国设备工程.2021(08)：34-37.

2. 鲁奇璞,郭娟.低压成套开关设备母线额定短时耐受电流选择的探讨[J].邮电设计技术.2017(01)：89-92.

3. 张晓戈.低压成套开关设备进行短路强度试验的方法探析[J].中国电业(技术版).2018(01)：33-36.